CN102130514A

CN102130514A - 诊疗系统无线供电装置

Info

Publication number: CN102130514A
Application number: CN2011100806635A
Authority: CN
Inventors: 侯鹏; 程玉华
Original assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Current assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明涉及一种胶囊式诊疗系统智能化无线供能装置。包括体外发射装置和体内接收装置两部分。体外发射装置主要包括射频接收电路、控制电路、直流电源、电源分配开关、逆变电路、频率跟踪电路、离散式多发射线圈。体内接收装置主要包括三维接收线圈、整流滤波电路、储能装置、充电电路、控制电路、采样电路、射频发射电路。

Description

诊疗系统无线供电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种胶囊式诊疗系统智能化无线供电装置，属于医疗电子领域。背景技术

[0002] 为了满足患者对治疗微创、无创的需求，胶囊式诊疗系统被应用到肠胃检测中。随着微电子技术的快速发展，胶囊式诊疗系统的功能不断增强，但同时功耗也越来越大。传统内电池的供能方式已远不能满足系统大功耗的需求，采用体外向体内无线供能的方式是解决这一问题的有效途径。

[0003] 目前用于人体医疗的无线供能方案，是基于电磁感应的原理，基本思想是，在体内诊疗装置上集成接收线圈，在体外布置发射线圈，两线圈耦合，实现无线能量传输。但是，这种供能方式的固有弊端是对两耦合线圈的位置关系要求非常苛刻，一旦失配，效果立即变差。对于胶囊式诊疗系统而言，由于姿势的不确定性，造成接收线圈和发射线圈经常发生严重失配问题。为克服这一弊端，可在体内采用相互正交的三维接收线圈，在体外采用螺线管状发射线圈。但是，所带来的问题是发射线圈两端电压过高，存在潜在危险。我们进一步的研究发现，体外采用多个离散式发射线圈的并行结构可大大降低发射线圈两端的电压，提高无线能量转化效率。可是，这样的无线供能系统仍然面临着一系列问题：（1)如何从体外多个发射线圈中选择要驱动的对象（2)对于实际应用而言，接收电路的负载经常发生变化，这一状况会反映到能量发射端，影响发射电路的谐振频率和系统的无线能量转化效率

[3]不同体型的患者，对能量发射电路的谐振频率会有不同的影响（4)接收电路对功耗的需求并不是一成不变的，单一功率的发射能量不仅造成浪费，还有可能会对人体和接收电路造成伤害（5)发射电路往往采用E类功放，易受线圈、负载等因素变化的影响，调功、调频均不方便。这些问题严重制约了胶囊式诊疗系统的广泛应用。

发明内容

[0004] 为解决上面所述问题，本发明提供一种胶囊式诊疗系统智能化无线供电装置。本发明的一个功效在于提供一种胶囊式诊疗系统无线供电的智能化调频、调功的方法，另一功效在于提供一种通用的多线圈无线能量发射电路。

[0005] 本发明的装置分为体外和体内两部分。体外发射装置主要包括射频接收电路、控制电路、直流电源、电源分配开关、全桥逆变电路、频率跟踪电路、离散式多发射线圈。体内装置主要包括三维接收线圈、整流滤波电路、储能装置、充电电路、控制电路、采样电路、射频发射电路。其中频率跟踪电路主要包括全桥逆变驱动电路输入端电压采样电路、发射线圈电流采样电路、鉴相器、环路滤波电路、压控振荡器。

[0006] 本发明发射装置中的控制器与射频接收电路、功率分配电路、开关管驱动电路、移相PWM控制电路相连，功率分配电路与直流电源相连，移相PWM控制电路与频率跟踪电路输出端和全桥逆变驱动电路相连。本发明中每一个发射线圈都对应着一个驱动电路，每一个驱动电路在控制电路里对应着一个编号。射频接收电路接收体内发送过来的采样信号，储存在控制电路的储存器中，控制电路根据反馈信号强度，判断出应启动的发射线圈和驱动电路，控制器决定PWM信号的初始频率和占空比，并通过操控电源分配开关把直流电源接通到要启动的驱动电路中。控制器与移相PWM控制电路相连，可通过控制移相PWM控制电路PWM信号的占空比来实现对全桥逆变电路开关管开关时间的调控。

[0007] 本发明中直流变交流的逆变电路是采用功率开关管与全桥逆变电路相结合的形式。采用全桥逆变电路可以克服单独E类功放电路参数随线圈、负载等因素变化，调功、调谐不便的弊端，具有通用性。逆变电路采用软开关技术，可以减小电路中开关器件的损耗和电磁干扰，提高系统的效率。采用功率开关管作为补充，主要是为了扩大发射电路的功率调整范围。

[0008] 本发明采用频率自动跟踪电路来自动锁定发射电路的工作频率。

[0009] 本发明通过对发射线圈电流和全桥驱动电路输入端电压采样信号相位的比较，来实现工作频率锁定的。达到系统工作频率始终与发射电路固有频率保持一致的目的，实现装置较高的无线能量转化效率。本发明可以克服发射电路由于发射线圈发生形变和周围环境（比如靠近金属、磁体等）以及患者体型的影响而改变固有频率的问题。

附图说明

[0010] 附图1，胶囊式诊疗系统智能化无线供电装置框图。

[0011] 附图2，智能化调频调功驱动电路框图。

[0012] 附图3，具体实施方式流程图

具体实施方式

[0013] 下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

[0014] 将离散式多发射线圈穿戴于检测者上身，发射装置连接到发射线圈。当胶囊式诊疗系统进入人体后，整个装置开始工作。

[0015] 首先打开体外控制电路，在短时间内控制电路依次开通电源分配开关，分别将直流电源接通到每一个发射线圈的驱动电路，以相同的初始功率和工作频率驱动能量发射线圈发射能量，体内诊疗系统的三维接收线圈感应到信号，采样电路对感应信号进行采样，并转化为数字信号，经射频发射电路发送到体外，体外射频接收电路接收到感应信号，并储存于存储器中。系统每次接收到能量后发送回反馈信号，该反馈信号与能量发射线圈唯一对应，与诊疗系统距离不同的能量发射线圈发出能量后，会得到相应不同的反馈信号；然后由控制器根据反馈信号确定出需要驱动的一个或多个能量发射线圈，并打开对应的电源开关，驱动这些能量发射线圈工作。

[0016] 当发射电路工作时，体外的电流和电压采样电路分别对流经发射线圈的电流和全桥逆变驱动电路输入端的电压信号进行采样，并将采样信号分别输送到鉴相器的两个输入端，使用采样电压和采样电流的相位差去控制装置的工作频率。在频率跟踪电路的调节下，电路最终稳定在负载电流和电压的相位差为零的状态，即谐振状态，从而实现频率的自动调节功能。

[0017] 在确定装置的最佳工作频率后，体内控制器根据负载电路对功率和电压的需求，向体外控制器发出调整发射功率的信号，体外控制器根据体内控制器的需求增大或减小

4PWM信号的占空比，体内接收电路接收到新信号，并将获得的新感应信号反馈到体内控制器，体内控制器把新获得的信号强度与实际电路的需求相比较，根据比较结果，再次向体外的控制器发出调整发射功率的要求，体外控制器根据体内控制器的需求继续调整PWM信号的占空比，直到接收电路感应到的电压或功率满足电路的需求时，调整功率结束。装置进入供电状态。

[0018] 隔一定时间周期后，装置再次进入重新选择发射线圈和调频调功过程，循环往复。直到检测结束为止。

[0019] 本发明只阐述了较佳的实施例，凡是对本发明的改动或由本发明所延伸出来的实时方式均是本发明的保护范围。

Claims

1.本发明涉及一种胶囊式诊疗系统智能化无线供能装置。主要包括体外发射装置和体内接收装置两部分。体外发射装置主要包括射频接收电路、控制电路、直流电源、电源分配开关、逆变电路、频率跟踪电路、离散式多发射线圈。体内接收装置主要包括三维接收线圈、整流滤波电路、储能装置、充电电路、控制电路、采样电路、射频发射电路。

2.按照权利要求1所述，本发明是根据体内反馈回来的采样信号，体外控制电路智能地选择一组发射线圈，并通过时时调节相应发射电路PWM信号的频率和占空比来实现体内外线圈的最佳耦合效率和发射功率调整。

3.按照权利要求1所述，本发明中每组发射线圈都拥有独立的驱动电路，主要包括开关管驱动电路、功率开关管、储能电感、全桥逆变驱动电路、全桥逆变电路、移相PWM控制电路、频率跟踪电路。

4.按照权利要求1、3所述，本发明的频率跟踪电路主要由全桥逆变驱动电路输入端电压采样电路、发射线圈电流采样电路、鉴相器、环路滤波电路、压控振荡器组成。

5.按照权利要求1、3、4所述，本发明是通过对发射线圈的采样电流和全桥逆变驱动电路的输入电压采样信号的相位比较，实现自动调频功能的。

6.按照权利要求1、4、5所述，本发明中频率跟踪电路输出端分别连接到开关管驱动电路和移相PWM控制电路。。